Malgré les risques pour la planète Terre d’un impact de comète ou d’astéroïde, notre système solaire est en fait un endroit incroyablement stable. On s’attend à ce que nos huit planètes restent sur leurs orbites, régulièrement, tant que le Soleil reste une étoile normale de la séquence principale. En fait, les simulations indiquent qu’il y a environ 1% de chances que l’une de nos huit planètes soit éjectée dans les 5 à 7 milliards d’années restantes de la vie de notre soleil. Mais ce n’est pas nécessairement le cas pour tous les systèmes stellaires, car l’instabilité peut souvent conduire à des exoplanètes.

Si deux planètes passent à proximité l’une de l’autre en orbite, l’une peut perturber l’autre, provoquant un changement orbital massif. Ces deux planètes pourraient entrer en collision, l’une pourrait être expulsée, ou l’une d’entre elles pourrait même entrer en collision.com/urled vers leur étoile centrale. Mais il existe une autre possibilité : ces deux planètes pourraient partager avec succès une orbite ensemble et rester indéfiniment en orbite autour de leur étoile mère. Cela peut sembler contre-intuitif, mais notre système solaire offre un indice sur la façon dont cela pourrait se produire.

Selon l’Union astronomique internationale (UAI), il y a trois choses qu’un corps en orbite doit faire pour être une planète :

1. Il doit être en équilibre hydrostatique ou avoir une gravité suffisante pour lui donner une forme sphérique. (En d’autres termes, une sphère parfaite, plus tout effet de rotation ou autre qui la déforme.)
2. Il doit tourner autour du Soleil et non de tout autre corps (par exemple, il ne peut pas orbiter autour d’une autre planète).
3. Il doit nettoyer son orbite de toutes les planètes mineures, protoplanètes ou planètes rivales.

Cette dernière définition exclut à proprement parler deux planètes partageant la même orbite, car une orbite ne serait pas considérée comme « claire » s’il y en avait deux.

En principe, même les planètes géantes gazeuses en orbite autour de la même étoile ne seraient pas considérées comme des planètes si elles partageaient une orbite. La définition de l’UAI est inadéquate à bien des égards, même pour les astronomes planétaires et exoplanétaires.

Heureusement, nous ne sommes pas liés par la définition douteuse de l’Union astronomique internationale lorsque nous considérons des planètes sur une orbite commune. Nous pourrions plutôt choisir de nous demander si deux planètes semblables à la Terre pourraient exister et partager la même orbite autour de leur étoile. La plus grande préoccupation, bien sûr, est la gravité.

La gravité est capable de détruire une double orbite de l’une des deux manières que nous avons imaginées précédemment :

1. L’interaction gravitationnelle pourrait « donner un coup de pied » avec force à une planète, soit en l’envoyant vers le soleil, soit hors du système solaire,
2. Ou la gravité mutuelle de deux planètes pourrait les faire fusionner, entraînant une collision spectaculaire.

Dans nos simulations de modélisation des formations des systèmes solaires à partir de disques protoplanétaires, ces deux effets se retrouvent très fréquemment.

La synestie consisterait en un mélange de matière évaporée provenant à la fois de la Terre primordiale et de la collision, qui forme une grande lune à l’intérieur à partir de la fusion de la jeune lune. Il s’agit d’un scénario général capable de créer une grande lune avec les propriétés physiques et chimiques que nous observons. C’est plus général que l’hypothèse de l’impact géant, qui implique une collision entre la Terre et un monde protoplanétaire hypothétique en orbite autour d’un commun : Theia.

Ce dernier cas est, en fait, quelque chose qui est probablement arrivé à la Terre alors que le système solaire avait quelques dizaines de millions d’années ! Il y a certainement eu une collision, il y a environ 4,5 milliards d’années, qui a conduit à la formation du système Terre-Lune moderne. De plus, il est fort probable qu’elle ait déclenché un événement majeur sur notre planète ; Même les roches les plus anciennes que nous ayons trouvées sur Terre ne sont pas aussi anciennes que les météorites les plus anciennes – provenant probablement de la ceinture d’astéroïdes primordiale – que nous avons découvertes.

Deux planètes ne font pas un excellent travail pour occuper exactement la même orbite, car il n’y a pas de véritable stabilité dans ces cas. Le mieux que vous puissiez faire est d’espérer une orbite semi-stable. Dans ce contexte, quasi-stable signifie que techniquement, sur des échelles de temps infiniment longues, tout est instable, et ces planètes joueront à Thunderdome : où au plus une survivra.

Diagramme de contour du potentiel actif du système Terre-Soleil. Les objets peuvent être sur une orbite stable de type lunaire autour de la Terre ou sur une orbite quasi stable menant ou suivant (ou alternant entre les deux) la Terre. Les points L1, L2 et L3 sont des points d’équilibre instable, mais tout objet en orbite autour du point L4 ou L5 peut rester stationnaire pendant de longues périodes de temps indéfiniment.

Cependant, vous pouvez obtenir des formations qui se soutiendront des milliards d’années avant que l’un de ces deux « mauvais » événements ne se produise. Pour comprendre comment, il faut regarder le schéma ci-dessus, et en particulier les cinq points marqués (en vert) : Points de Lagrange.

Si vous ne considérez que deux masses – le soleil et une planète – il y a cinq points définis auxquels les effets gravitationnels du soleil et de la planète s’annulent, et les trois corps se déplacent sur une orbite stable pour toujours. Malheureusement, seuls deux de ces points de Lagrange, L4 et L5, sont stables ; Tout ce qui commence aux trois autres (L1, L2 ou L3) s’éloignera de manière précaire, se terminant soit en collision avec la planète mère, soit en étant expulsé.

Les orbites de Cruithne et de la Terre au cours d’une année. L’emplacement de Cruithne est indiqué par le carré rouge car il est trop petit pour être vu à cette distance. La Terre est le point blanc se déplaçant le long du cercle bleu. Le cercle jaune au centre est notre soleil. Bien que 3753 Cruithne ne soit pas complètement stable, il est resté en orbite apparente autour de l’un des points lagrangiens sur Terre (de notre point de vue) pendant des centaines d’années, et le restera pendant des centaines d’autres.

Mais L4 et L5 sont les deux points autour desquels les astéroïdes se regroupent. Tous les mondes géants gazeux en contiennent des milliers, mais même la Terre en a un : l’astéroïde 3753 Cruithnequi est actuellement en orbite semi-stable avec notre monde !

Bien que cet astéroïde en particulier soit instable à l’échelle d’un milliard d’années, il est certainement possible que deux planètes partagent une orbite exactement comme celle-ci. Il est également possible d’avoir une planète binaire, qui ressemblerait beaucoup au système Terre/Lune (ou au système Pluton/Charon), sauf qu’il n’y a pas de « gagnant » clair pour qui est la planète et qui est la Lune. Si vous avez un système dans lequel deux planètes sont similaires en masse/taille, et séparées par seulement une courte distance, vous pourriez avoir ce qu’on appelle un système planétaire binaire ou un système planétaire double. Des études récentes l’indiquent C’est légalement possible.

Cette image annotée de la vue ALMA de PDS 70 montre l’étoile centrale, les deux planètes connues, le disque protoplanétaire externe, ainsi qu’un éventuel compagnon co-orbital d’une planète encore plus éloignée, PDS 70b.

Mais il y a une autre façon de le faire, et c’est quelque chose que vous ne pensiez probablement pas stable : vous pouvez avoir deux planètes de masse similaire sur des orbites séparées, l’une vers l’autre, échangeant périodiquement des orbites lorsque le monde intérieur dépasse le monde extérieur. Vous pourriez penser que c’est fou, mais notre système solaire a un exemple où cela se produit : Deux des lunes de Saturne, Épiméthée et Janus.

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Tous les quatre ans, la lune intérieure (la plus proche de Saturne) dépasse la lune extérieure, et leur attraction gravitationnelle mutuelle fait que la lune intérieure se déplace vers l’extérieur, tandis que la lune extérieure se déplace vers l’intérieur, et elles s’échangent.

La physique de l’alternance des orbites de Janus et d’Epiméthée peut s’expliquer par la simple dynamique gravitationnelle de deux objets de faible masse en orbite autour d’un objet de masse beaucoup plus grande. Les interactions gravitationnelles mutuelles peuvent exister de manière quasi stable comme celle-ci, créant des orbites stables pendant des milliards d’années ou plus.

Au cours des trois dernières décennies, nous avons remarqué que ces deux lunes dansaient un peu, avec des configurations qui se répétaient sans changement notable sur huit ans. Pour autant que nous puissions en juger, cette configuration est non seulement stable à l’échelle du temps humain, mais devrait l’être tout au long de la durée de vie de notre système solaire.

Les résonances apparaissent de plusieurs manières différentes dans la dynamique planétaire, y compris la façon dont Neptune influence la distribution des objets de la ceinture de Kuiper, la façon dont les lunes de Jupiter Io, Europe et Ganymède subissent un schéma orbital simple 1:2:4, et comment la vitesse de rotation et le mouvement orbital de Mercure sont soumis à une résonance 3:2.

Janus et Epiméthée sont deux lunes de Saturne qui partagent la même orbite via un échange orbital. En raison des différences de masse entre eux, l’orbite de Janus diffère environ trois fois plus dans un demi-grand axe que celle d’Épiméthée. Ces deux lunes échangent leurs positions tous les quatre ans, mais elles ne semblent jamais entrer en collision.

Sans surprise, les orbites planétaires subissent également une résonance de commutation d’orbite, Janus et Epimetheus en fournissant un excellent exemple. Vous pourriez objecter que ce sont des lunes en orbite autour d’une planète, et non des planètes autour d’une étoile, mais la gravité est la gravité, la masse est la masse et les orbites sont des orbites. La taille exacte est la seule différence, tandis que la dynamique peut être très similaire.

Étant donné que nous connaissons maintenant des systèmes d’exoplanètes qui existent en grande abondance autour des étoiles naines rouges de classe M, et qu’ils ressemblent à un système jovien ou à Saturne, en d’autres termes, il est tout à fait possible que nous ayons un système planétaire quelque part dans notre galaxie avec deux planètes (au lieu de lunes) qui fasse exactement cela !

Comparaison du système TRAPPIST-1 avec les planètes intérieures du système solaire et les lunes de Jupiter. Bien que la façon dont ces objets sont classés puisse sembler arbitraire, il existe des liens certains entre la formation et l’histoire évolutive de tous ces objets et les caractéristiques physiques qu’ils possèdent aujourd’hui. Les systèmes solaires autour des étoiles naines rouges semblent n’être que des homologues agrandis de Jupiter ou de Saturne.

La malheureuse nouvelle, du moins pour le moment, est que parmi les milliers de planètes découvertes autour d’autres étoiles, nous n’avons pas encore de planète candidate binaire. Il y avait un candidat annoncé dans les premiers jours de la mission Kepler, Mais il a été rétracté, où il a été découvert que l’une des planètes candidates co-orbitantes a en fait deux fois la période de la planète principale. Mais l’absence de preuve n’est pas une preuve d’absence. Ces planètes à orbite unique sont peut-être rares, mais avec des données plus nombreuses et de meilleure qualité, nous nous attendons à les trouver.

Donnez-nous un meilleur télescope d’observation des planètes, un million d’étoiles avec des planètes autour d’elles et environ 10 ans de temps d’observation. Avec des installations comme celle-ci, nous trouverons probablement des exemples des trois exemples possibles d’orbites de partage de planètes. Les lois de la gravité et nos simulations nous disent qu’elle doit exister. Une version moderne de cela a peut-être été trouvée autour de l’étoile PDS 70, mais les exemples matures restent insaisissables. La seule étape restante est de les trouver.

Ethan Siegel est en vacances cette semaine. Veuillez profiter de cet article des archives de Starts With A Bang!